CN102208426A - 固态摄像器件、固态摄像器件的驱动方法和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固态摄像器件及其制造方法和包括该固态摄像器件的电子装置，所述固态摄像器件包括：多个单元像素，所述单元像素至少包括光电转换部、电荷电压转换部和一个以上传输构件，所述传输构件用于在预定路径中传输电荷；光屏蔽膜，其用于光屏蔽所述多个单元像素中至少除所述光电转换部的光接收部之外的表面；以及电压控制构件，其用于控制施加到所述光屏蔽膜的电压，其中，通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制所述传输构件中的一个传输构件所进行的电荷传输。由此，本发明的固态摄像器件能够改善固态摄像器件的光屏蔽膜的光屏蔽特性。

Description

固态摄像器件、固态摄像器件的驱动方法和电子装置
相关申请的交叉参考
本申请包含与在2010年3月31日向日本专利局提出的日本优先权专利申请JP 2010-080525的公开内容相关的主题，在此将该日本优先权专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及固态摄像器件、固态摄像器件的驱动方法和电子装置，尤其涉及能够进行全局快门操作的固态摄像器件、该固态摄像器件的驱动方法和电子装置。
背景技术
在相关技术中，作为用于CMOS图像传感器的电子快门系统，卷帘式快门(焦平面(focal-plane)快门)系统已得到普及。在卷帘式快门系统中，通过以像素行为单位依次扫描二维布置的大量像素来进行信号复位，因此在各像素行中出现曝光时段差异。因此，例如，当拍摄对象正在移动时，拍摄的图像出现失真。例如，当拍摄在水平方向上移动的垂直物体时，物体看起来是倾斜的。
因此，已经开发出用于CMOS高速图像传感器的全部像素同步电子快门(all-pixel simultaneous electronic shutter)(例如见日本专利申请特开No.2009-268083)。全部像素同步电子快门在摄像中有效地同时开始全部像素的曝光并同时结束全部像素的曝光。全部像素同步电子快门也称作全局快门(全局曝光)。
图1～图4表示能够进行相关技术的全部像素同步电子快门操作的固态摄像器件(CMOS图像传感器)中单元像素结构的示例。图1表示单元像素11沿图4所示的方向A-A′的截面结构的示例。图2和图3是单元像素11的结构的平面图。然而，图2表示不包括光屏蔽膜37的结构，而图3表示包括光屏蔽膜37的结构。注意，为了便于理解附图，图2和图3未示出绝缘膜36。图4是通过向图3添加方向A-A′上的路径而获得的图。
单元像素11具有用作光电转换元件的埋入型光电二极管21，在形成于N型基板31上的P型阱层32中埋入N型埋入层34，并在基板表面上形成P型层33，由此形成光电二极管21。光电二极管21通过光电转换产生光电荷，产生的光电荷的量与入射光的量相对应(在下文中，光电荷简称为“电荷”)，电荷累积在光电二极管21中。单元像素11还包括第一传输栅极(TRX)22、存储部(MEM)23、第二传输栅极(TRG)24和浮动扩散区域(FD)25。
第一传输栅极22的栅极22A形成为覆盖光电二极管21与存储部23之间的部分及存储部23的上部，并且在栅极电极22A与被覆盖部分之间置入绝缘膜22B。用于布线的接触部38连接至栅极22A的位于存储部23侧上的上部。当通过接触部38向栅极电极22A施加传输脉冲TRX时，第一传输栅极22传输光电二极管21中所累积的电荷。
通过形成在栅极电极22A下方的N型埋入沟道35来形成存储部23。存储部23对通过第一传输栅极22传输自光电二极管21的电荷进行累积。
通过在存储部23上部布置栅极电极22A并向栅极电极22A施加传输脉冲TRX，能够对存储部23进行调制。也就是说，通过向栅极电极22A施加传输脉冲TRX以使存储部23的电位变深。因而，与不进行调制的情况相比，能够增加存储部23的饱和电荷量。
在存储部23与浮动扩散区域25之间的上部形成第二传输栅极24的栅极电极24A，并且在栅极电极24A与P型阱层32之间置入绝缘膜24B。用于布线的接触部39连接至栅极电极24A的上部。当通过接触部39向栅极电极24A施加传输脉冲TRG时，第二传输栅极24传输存储部23中所累积的电荷。
浮动扩散区域25是由N型层形成的电荷电压转换部。浮动扩散区域25将通过第二传输栅极24传输自存储部23的电荷转换为电压。用于布线的接触部40连接至浮动扩散区域25的上部。
单元像素11还包括复位晶体管26、放大晶体管27和选择晶体管28。
复位晶体管26的漏极电极通过接触部44(图2)连接至电源VDB。复位晶体管26的源极电极连接至浮动扩散区域25。此外，复位晶体管26的栅极电极26A(图2)与用于布线的接触部43连接。通过接触部43向栅极电极26A施加复位脉冲RST，由此导通复位晶体管26，以便复位浮动扩散区域25，于是将电荷从浮动扩散区域25放电。
放大晶体管27的漏极电极通过接触部44(图2)连接至电源VDO。放大晶体管27的栅极电极27A(图2)通过接触部45(图2)连接至浮动扩散区域25。选择晶体管28的漏极电极连接至放大晶体管27的源极电极。选择晶体管28的源极电极通过接触部47(图2)连接至垂直信号线12。此外，选择晶体管28的栅极电极28A(图2)与接触部46连接。通过接触部46向选择晶体管28的栅极电极施加选择脉冲SEL，由此导通选择晶体管28，以便选择单元像素11以作为从其读出像素信号的对象。也就是说，当选择晶体管28导通时，放大晶体管27通过选择晶体管28和接触部47将用于表示浮动扩散区域25的电压的像素信号输出到垂直信号线12。
单元像素11还包括电荷放电栅极(ABG)29和电荷放电部(ABD)30。
在光电二极管21与电荷放电部30之间的上部形成电荷放电栅极29的栅极电极29A，并且在栅极电极29A与P型阱层32之间置入绝缘膜29B。用于布线的接触部41连接至栅极电极29A。当通过接触部41向栅极电极29A施加控制脉冲ABG时，电荷放电栅极29传输光电二极管21中所累积的电荷。
电荷放电部30是由N型层形成。电荷放电部30通过接触部42连接至电源VDA。通过电荷放电栅极29从光电二极管21传输到电荷放电部30的电荷被放电到电源VDA。电荷放电栅极29和电荷放电部30用于在曝光结束之后的读出时段期间防止光电二极管21饱和时的电荷溢出。
在单元像素11的上表面形成绝缘膜36，绝缘膜36具有由氧化物膜、氮化物膜和氧化物膜组成的三层结构。绝缘膜36还用作光学防反射膜。绝缘膜36仅在形成有接触部38～47的部分中具有开口。
另外，在绝缘膜36的上表面上形成由钨等制成的光屏蔽膜37。如图3所示，光屏蔽膜37仅在形成有光电二极管21的光接收部和接触部38～47的部分中具有开口。
图5是表示应用有单元像素11的固态摄像器件的像素阵列部中单元像素11的布置示例的图。注意，在图5中，为了便于理解该图，省略了各个部分的附图标记。
在垂直方向(列方向)和水平方向(行方向)上二维布置单元像素11。尽管未在图5中示出，但各行均设置有五条驱动信号线，这五条驱动信号线是用于第一传输栅极22的栅极电极22A的驱动信号线TRG、用于第二传输栅极24的栅极电极24A的驱动信号线TRX、用于驱动复位晶体管26的栅极电极26A的驱动信号线RST、用于选择晶体管28的栅极电极28A的驱动信号线SEL以及用于电荷放电栅极29的栅极电极29A的驱动信号线ABG。
下面将参照图6说明单元像素11的驱动方法。另外，图6是单元像素11在时刻t1～t7时的电位图。注意，图6中的字母TRX、TRG和RST下方所示出的矩形表示传输脉冲TRX、传输脉冲TRG和复位脉冲RST的状态。实心矩形表示脉冲导通。空心矩形表示脉冲关闭。
时刻t1至时刻t3之间的时段是累积时段，累积时段用于对全部像素同时累积与入射光量相对应的电荷。
具体地，在时刻t1处，对全部像素同时导通传输脉冲TRX、传输脉冲TRG和复位脉冲RST，从而对光电二极管21、存储部23和浮动扩散区域25的电荷进行放电。然后，关闭传输脉冲TRX、传输脉冲TRG和复位脉冲RST，并同时开始全部像素的曝光。如在时刻t2处所示，对应于入射光量的电荷量累积在光电二极管21中。
在时刻t3处，对全部像素同时导通传输脉冲TRX，从而将累积在光电二极管21中的电荷传输到存储部23。然后，关闭传输脉冲TRX。
时刻t4至时刻t7之间的时段是读出时段，读出时段用于以行为单位依次读出所累积的电荷。
具体地，在时刻t4处，导通复位脉冲RST，从而复位浮动扩散区域25，并且将电荷从浮动扩散区域25放电。然后，关闭复位脉冲RST。
在时刻t5处，将用于表示如下电压的像素信号(以下称作复位信号)读出：该电压是已进行电荷放电的浮动扩散区域25的电压(以下称作复位电平)。
在时刻t6处，导通传输脉冲TRG，从而将存储部23中所累积的电荷传输到浮动扩散区域25。然后，关闭传输脉冲TRG。
在时刻t7处，将用于表示如下电压的像素信号(以下称作电荷检测信号)读出：该电压是基于累积在浮动扩散区域25中的电荷的电压(以下称作信号电平)。然后，在必要时，返回时刻t1的过程而开始下一帧的累积时段。
发明内容
为了防止各接触部与光屏蔽膜37之间的短路，光屏蔽膜37的用于接触部38～47的开口部的尺寸大于各个接触部截面的尺寸，并且保证在光屏蔽膜37与接触部之间存在预定间隔。然而，这使得所谓的杂散光(stray light)通过各接触部与光屏蔽膜37之间的间隙入射。杂散光所产生的电荷流入到存储部23和浮动扩散区域25，于是引起噪声。
鉴于这种情形而作出本发明。本发明的目的在于改善固态摄像器件的光屏蔽膜的光屏蔽特性。
本发明实施例提供一种固态摄像器件，所述固态摄像器件包括：多个单元像素，所述单元像素至少包括光电转换部、电荷电压转换部和一个以上传输构件，所述传输构件用于在预定路径中传输电荷；光屏蔽膜，其用于光屏蔽所述多个单元像素中至少除所述光电转换部的光接收部之外的表面；以及电压控制构件，其用于控制施加到所述光屏蔽膜的电压。其中，通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制所述传输构件中的一个传输构件所进行的电荷传输。
所述单元像素还可以包括电荷放电部，并且通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制用于将电荷从所述光电转换部传输到所述电荷放电部的传输构件所进行的电荷传输。
通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制用于将电荷从所述光电转换部传输到所述电荷电压转换部的传输构件所进行的电荷传输。
单元像素还可以包括电荷保持部，并且通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制用于将电荷从所述光电转换部传输到所述电荷保持部的传输构件所进行的电荷传输。
在所述光屏蔽膜与形成有所述单元像素的半导体基板之间布置绝缘膜，所述绝缘膜是由氧化物膜和氮化物膜形成，并且仅位于所述光屏蔽膜的一部分与所述半导体基板之间的所述绝缘膜是由氧化物膜单独形成，所述光屏蔽膜的所述一部分形成为通过施加到所述光屏蔽膜的电压控制其电荷传输的传输构件。
所述固态摄像器件还可以包括布线，所述布线用于在布置有所述多个单元像素的像素阵列部的外部将所述光屏蔽膜和所述电压控制构件彼此连接并将电压施加到所述光屏蔽膜。
所述固态摄像器件还可以包括布线，所述布线用于在布置有所述多个单元像素的像素阵列部的内部将所述光屏蔽膜和所述电压控制构件彼此连接并将电压施加到所述光屏蔽膜。
本发明的实施例提供一种固态摄像器件的驱动方法，所述固态摄像器件包括：多个单元像素，所述单元像素至少包括光电转换部、电荷电压转换部和一个以上传输构件，所述传输构件用于在预定路径中传输电荷；以及光屏蔽膜，其用于光屏蔽所述多个单元像素中至少除所述光电转换部的光接收部之外的表面。所述驱动方法包括：所述固态摄像器件通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制所述传输构件中的一个传输构件所进行的电荷传输。
单元像素还可以包括电荷放电部，所述固态摄像器件通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制用于将电荷从所述光电转换部传输到所述电荷放电部的传输构件所进行的电荷传输。
所述固态摄像器件通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制用于将电荷从所述光电转换部传输到所述电荷电压转换部的传输构件所进行的电荷传输。
单元像素还可以包括电荷保持部，所述固态摄像器件通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制用于将电荷从所述光电转换部传输到所述电荷保持部的传输构件所进行的电荷传输。
本发明的实施例提供一种电子装置，所述电子装置包括固态摄像器件，其中，所述固态摄像器件包括：多个单元像素，所述单元像素至少包括光电转换部、电荷电压转换部和一个以上传输构件，所述传输构件用于在预定路径中传输电荷；光屏蔽膜，其用于光屏蔽所述多个单元像素中至少除所述光电转换部的光接收部之外的表面；以及电压控制构件，其用于控制施加到所述光屏蔽膜的电压。其中，通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制所述传输构件中的一个传输构件所进行的电荷传输。
在本发明实施例的所述固态摄像器件(其包括：多个单元像素，所述单元像素至少包括光电转换部、电荷电压转换部和一个以上传输构件，所述传输构件用于在预定路径中传输电荷；和光屏蔽膜，其用于光屏蔽所述多个单元像素中至少除所述光电转换部的光接收部之外的表面)中，控制施加到所述光屏蔽膜的电压，并控制所述传输构件中的一个传输构件所进行的电荷传输。
根据本发明的实施例，能够改善固态摄像器件的光屏蔽膜的光屏蔽特性。
附图说明
图1是相关技术的单元像素的结构示例的截面图。
图2是相关技术的单元像素的结构示例的平面图。
图3是相关技术的单元像素的结构示例的平面图。
图4是相关技术的单元像素的结构示例的平面图。
图5是用于说明相关技术的单元像素的驱动信号线的结构示例的图。
图6是用于说明相关技术的单元像素的驱动方法的电位图。
图7是表示应用有本发明的固态摄像器件实施例的结构示例的框图。
图8是单元像素的第一实施例的结构示例的截面图。
图9是单元像素的第一实施例的结构示例的平面图。
图10是单元像素的第一实施例的结构示例的平面图。
图11是单元像素的第一实施例的结构示例的平面图。
图12是用于说明单元像素的第一实施例的驱动信号线的结构示例的图。
图13是用于说明单元像素的第一实施例的驱动方法的时序图。
图14是单元像素的第二实施例的结构示例的截面图。
图15是单元像素的第三实施例的结构示例的截面图。
图16是单元像素的第三实施例的结构示例的平面图。
图17是单元像素的第三实施例的结构示例的平面图。
图18是单元像素的第三实施例的结构示例的平面图。
图19是用于说明单元像素的第三实施例的驱动信号线的结构示例的图。
图20是用于说明单元像素的第三实施例的驱动方法的时序图。
图21是单元像素的第四实施例的结构示例的截面图。
图22是单元像素的第五实施例的结构示例的截面图。
图23是单元像素的第六实施例的结构示例的截面图。
图24是单元像素的第七实施例的结构示例的截面图。
图25是单元像素的第八实施例的结构示例的截面图。
图26是单元像素的第八实施例的结构示例的平面图。
图27是单元像素的第八实施例的结构示例的平面图。
图28是单元像素的第八实施例的结构示例的平面图。
图29是用于说明单元像素的第八实施例的驱动信号线的结构示例的图。
图30是用于说明单元像素的第八实施例的驱动方法的时序图。
图31是单元像素的第八实施例的变型示例的截面图。
图32是用于说明单元像素的第八实施例的变型示例的驱动信号线结构示例的图。
图33是表示应用有本发明的电子装置实施例的结构示例的框图。
具体实施方式
下面将说明用于实现本发明的方式(下面称作实施例)。另外，按照以下顺序进行说明。
1.第一实施例(使用光屏蔽膜替代电荷放电部的栅极电极的示例)
2.第二实施例(单独使用氧化物膜在电荷放电栅极附近形成绝缘膜的示例)
3.第三实施例(未设置存储部的示例)
4.第四实施例(在光电二极管与存储部之间设置溢出路径的示例)
5.第五实施例(使存储部具有与浮动扩散区域的结构类似的结构的示例)
6.第六实施例(通过埋入沟道形成存储部的示例)
7.第七实施例(具有两级结构的存储部的示例)
8.第八实施例(使用光屏蔽膜替代第一传输栅极的栅极电极的示例)
9.变型示例
1.第一实施例
下面参照图7～图13说明本发明的第一实施例。
固态摄像器件的结构示例
图7是表示作为应用有本发明的固态摄像器件的CMOS图像传感器的结构示例的框图。
CMOS图像传感器100包括像素阵列部111、垂直驱动部112、列处理部113、水平驱动部114和系统控制部115。在半导体基板(芯片)(未在图7中示出)上形成像素阵列部111、垂直驱动部112、列处理部113、水平驱动部114和系统控制部115。
在像素阵列部111中，将具有光电转换元件的单元像素(图8中的单元像素211A)二维布置成矩阵形式，该光电转换元件用于产生与入射光量相对应的量的光电荷并将光电荷累积在光电转换元件内。注意，下文将单元像素简称为“像素”。
像素阵列部111还具有像素驱动线116和垂直信号线117，沿着图7的水平方向(像素行的像素布置方向)为具有矩阵形式的像素布置的各行形成像素驱动线116，沿着图7的垂直方向(像素列的像素布置方向)为具有矩阵形式的像素布置的各列形成垂直信号线117。尽管图7示出了每行具有一条像素驱动线116，但每行不限于一条像素驱动线116。像素驱动线116的一个端子连接至与垂直驱动部112的各个行相对应的输出端子。
CMOS图像传感器100还包括信号处理部118和数据存储部119。可以通过外部信号处理部(例如DSP(数字信号处理器)等)或者软件处理来实现信号处理部118和数据存储部119，外部信号处理部可以设置在与CMOS图像传感器100分开的基板上或者可以与CMOS图像传感器100安装在同一基板上。
垂直驱动部112是由移位寄存器或地址解码器等形成。垂直驱动部112是像素驱动部，例如其用于对全部像素同时驱动或者以行为单位驱动像素阵列部111的各个像素。尽管未示出垂直驱动部112的具体结构，但垂直驱动部112通常具有两个扫描系统，即读出扫描系统和清除扫描系统。
读出扫描系统以行为单位顺序选择并扫描像素阵列部111的单元像素，从而从单元像素中读出信号。清除扫描系统对将受到读出扫描系统所进行的读出扫描的读出行进行清除扫描，清除扫描以与快门速度相对应的一个时段而提前于读出扫描。
清除扫描系统所进行的清除扫描将不需要的电荷从读出行中的单元像素的光电转换元件中清除出去(复位光电转换元件)。然后，通过利用清除扫描系统清除不需要的电荷(复位)来进行所谓的电子快门操作。这种情况下的电子快门操作是指丢弃光电转换元件中的光电荷并开始新的曝光操作(开始累积光电荷)。
读出扫描系统的读出操作所读出的信号对应于在前一次读出操作或者电子快门操作之后入射的光的量。从前一次读出操作的读出时刻或者电子快门操作的清除时刻到当前读出操作的读出时刻之间的时段是光电荷在单元像素中的累积时间(曝光时间)。
通过各个垂直信号线117将垂直驱动部112所选择并扫描的像素行中的各个单元像素输出的像素信号供应到列处理部113。对于像素阵列部111的每个像素列，列处理部113逐像素列对通过垂直信号线117输出自所选行的各个单元像素中的像素信号进行预定信号处理，并暂时保持信号处理之后的像素信号。
具体地，列处理部113至少进行作为信号处理的噪声除去处理，例如相关双采样(Correlated Double Sampling，CDS)。列处理部113的CDS处理除去复位噪声、诸如放大晶体管的阈值变化等像素内在的固定模式噪声。除了噪声除去处理功能之外，列处理部113还可具有例如AD(模拟至数字)转换功能，以便将信号电平作为数字信号输出。
水平驱动部114是由移位寄存器或地址解码器等形成。水平驱动部114依次选择与列处理部113的像素列相对应的单元电路。通过水平驱动部114所进行的选择和扫描操作将通过列处理部113的信号处理操作获得的像素信号依次输出到信号处理部118。
系统控制部115是由用于产生各种时序信号的时序发生器等形成。系统控制部115例如基于时序发生器所产生的各种时序信号对垂直驱动部112、列处理部113和水平驱动部114进行驱动控制。
信号处理部118至少具有加法处理功能。信号处理部118对输出自列处理部113的像素信号进行诸如加法处理等各种信号处理。数据存储部119在信号处理部118进行信号处理时暂时存储信号处理部118的信号处理操作所需的数据。
单元像素211A的结构
下面参照图8～图11说明图7的像素阵列部111中的布置成矩阵形式的单元像素211A的具体结构。
图8表示单元像素211A沿图11所示的方向A-A′的截面结构的示例。图9和图10是表示单元像素211A的结构示例的平面图。然而，图9表示不包括光屏蔽膜237的结构，而图10表示包括光屏蔽膜237的结构。注意，为了便于理解附图，图9和图10未示出绝缘膜236。图11是通过向图10添加路径A-A′而获得的图。
单元像素211A例如具有作为光电转换元件的光电二极管(PD)221。光电二极管221例如是如下掩埋型光电二极管：在形成于N型基板231上的P型阱层232中埋入N型埋入层234并在基板表面侧上形成P型层233，由此形成该埋入型光电二极管。注意，P型层233和N型埋入层234的杂质浓度使得当对电荷进行放电时P型层233和N型埋入层234处于耗尽状态。
除了光电二极管221之外，单元像素211A还具有第一传输栅极(TRX)222、存储部(MEM)223、第二传输栅极(TRG)224和浮动扩散区域(FD)225。
第一传输栅极222包括栅极电极222A和绝缘膜222B，栅极电极222A是由多晶硅形成。栅极电极222A形成为覆盖光电二极管221与存储部223之间的部分及存储部223的上部，并且在栅极电极222A与被覆盖部分之间置入绝缘膜222B。用于布线的接触部238连接至栅极电极222A的位于存储部223侧上的上部。当通过接触部238向栅极电极222A施加传输脉冲TRX时，第一传输栅极222传输光电二极管221中所累积的电荷。
注意，在下文中，向栅极电极222A施加传输脉冲TRX的状态也称作传输脉冲TRX导通状态或者称作第一传输栅极222导通状态。此外，在下文中，不向栅极电极222A施加传输脉冲TRX的状态也称作传输脉冲TRX关闭状态或者称作第一传输栅极222关闭状态。
存储部223是由N型埋入沟道235形成，N型埋入沟道235的杂质浓度使得当对电荷进行放电时N型埋入沟道235处于耗尽状态，且该N型埋入沟道235形成在栅极电极222A下方。存储部223累积通过第一传输栅极222传输自光电二极管221的电荷。注意，由于存储部223是由埋入沟道235形成，因而能够抑制暗电流在Si-SiO2界面处出现，从而有助于图像质量的改善。
此外，通过将栅极电极222A设置在存储部223上部并向栅极电极222A施加传输脉冲TRX，能够对存储部223进行调制。也就是说，通过向栅极电极222A施加传输脉冲TRX，使存储部223的电位变深。因而，与不进行调制的情况相比，能够增加存储部223的饱和电荷量。
第二传输栅极224包括栅极电极224A和绝缘膜224B，栅极电极224A是由多晶硅形成。在存储部223与浮动扩散区域225之间的上部形成栅极电极224A，并且在栅极电极224A与P型阱层232之间置入绝缘膜224B。用于布线的接触部239连接至栅极电极224A的上部。当通过接触部239向栅极电极224A施加传输脉冲TRG时，第二传输栅极224传输存储部223中所累积的电荷。
注意，在下文中，向栅极电极224A施加传输脉冲TRG的状态也称作传输脉冲TRG导通状态或者称作第二传输栅极224导通状态。此外，在下文中，不向栅极电极224A施加传输脉冲TRG的状态也称作传输脉冲TRG关闭状态或者称作第二传输栅极224关闭状态。
浮动扩散区域225是由N型层形成的电荷电压转换部，该N型层的杂质浓度使得用于布线的接触部240能够电连接至浮动扩散区域225。浮动扩散区域225将通过第二传输栅极224传输自存储部223的电荷转换为电压。用于布线的接触部240连接至浮动扩散区域225的上部。
单元像素211A还包括复位晶体管226、放大晶体管227和选择晶体管228。注意，图8表示将N沟道MOS晶体管用作复位晶体管226、放大晶体管227和选择晶体管228的示例。然而，复位晶体管226、放大晶体管227和选择晶体管228的导电类型的组合不限于这些导电类型的组合。
复位晶体管226的漏极电极通过接触部244(图9)连接至电源VDB。复位晶体管226的源极电极连接至浮动扩散区域225。此外，复位晶体管226的栅极电极226A(图9)与用于布线的接触部243连接。通过接触部243向栅极电极226A施加复位脉冲RST，由此导通复位晶体管226，从而复位浮动扩散区域225，将电荷从浮动扩散区域225放电。
放大晶体管227的漏极电极通过接触部244(图9)连接至电源VDO。放大晶体管227的栅极电极227A(图9)通过接触部245(图9)连接至浮动扩散区域225。选择晶体管228的漏极电极连接至放大晶体管227的源极电极。选择晶体管228的源极电极通过接触部247(图9)连接至垂直信号线117。此外，选择晶体管228的栅极电极228A(图9)与接触部246连接。通过接触部246向选择晶体管228的栅极电极施加选择脉冲SEL，由此导通选择晶体管228，从而选择单元像素211A以作为从其读出像素信号的对象。也就是说，当选择晶体管228导通时，放大晶体管227通过选择晶体管228将用于表示浮动扩散区域225的电压的像素信号供应到列处理部113、接触部247和垂直信号线117。
注意，选择晶体管228也能够连接在电源VDO与放大晶体管227的漏极电极之间。根据像素信号的读出方法，也可以省略复位晶体管226、放大晶体管227和选择晶体管228中的一个或多个，或者可以在多个像素之间共用复位晶体管226、放大晶体管227和选择晶体管228中的一个或多个。
单元像素211A还包括电荷放电栅极(ABG)229和电荷放电部(ABD)230。
不同于图1中的电荷放电栅极29，电荷放电栅极229不具有栅极电极。替代地，当向光屏蔽膜237施加预定控制脉冲ABG时，电荷放电栅极229传输光电二极管221中所累积的电荷。也就是说，在电荷放电栅极229中，光屏蔽膜237用作栅极电极。具体地，当向光屏蔽膜237施加正电压的控制脉冲ABG时，光电二极管221与电荷放电部230之间的势垒的电位升高，并且势垒的高度降低。因而，在光电二极管221与电荷放电部230之间形成溢出路径，于是光电二极管221中所累积的电荷被传输到电荷放电部230。
在这种情况下，诸如第一传输栅极222和第二传输栅极224等的其它栅极各自具有专用栅极电极，并在各个栅极电极的上侧设置光屏蔽膜237。因而，向光屏蔽膜237施加控制脉冲ABG不影响其他栅极的操作。
此外，由于电荷放电栅极229不具有栅极电极，因而没有设置任何用于栅极电极的布线的接触部。
注意，在下文中，向光屏蔽膜237施加控制脉冲ABG的状态也称作控制脉冲ABG导通状态或者称作电荷放电栅极229导通状态。此外，在下文中，不向光屏蔽膜237施加控制脉冲ABG的状态也称作控制脉冲ABG关闭状态或者称作电荷放电栅极229关闭状态。
电荷放电部230是由N型层形成，该N型层的杂质浓度使得用于布线的接触部242能够电连接至电荷放电部230。电荷放电部230通过接触部242连接至电源VDA。因此，电荷放电部230的电位基本上等于电源VDA的电位。通过电荷放电栅极229从光电二极管221传输到电荷放电部230的电荷被放电到电源VDA。电荷放电栅极229和电荷放电部230用于在曝光结束之后的读出时段期间防止光电二极管221饱和时的电荷溢出。
在单元像素211A的上表面形成绝缘膜236，绝缘膜236具有由氧化物膜、氮化物膜和氧化物膜组成的三层结构。绝缘膜236还用作光学防反射膜。绝缘膜236仅在形成有接触部238～247的部分中具有开口。注意，考虑到击穿电压和光学灵敏度特性，以最佳膜厚设定用于形成绝缘膜236的各个层。
另外，在绝缘膜236的上表面上形成由例如钨等金属制成的光屏蔽膜237。如图10所示，光屏蔽膜237仅在形成有光电二极管221的光接收部和接触部238～247的部分中具有开口。
根据光电二极管221的光学灵敏度与存储部223中所出现的噪声之间的权衡关系，以最佳尺寸和最佳位置设置光屏蔽膜237中的用于光电二极管221的光接收部的开口部。注意，在这种情况下出现在存储部223中的噪声是基于与CCD图像传感器的拖尾相同原理而出现的噪声。例如，当光通过光屏蔽膜237的开口进入存储部223或者进入存储部223的附近区域并由此在存储部223内出现电荷时，或者当外部产生的电荷扩散并流入存储部223时，引起噪声。
此外，为了防止各接触部与光屏蔽膜237之间的短路，光屏蔽膜237的用于接触部238～247的开口部的尺寸大于各个接触部的截面的尺寸，并且确保在光屏蔽膜237与接触部之间存在预定间隔。然而，当各接触部与光屏蔽膜237之间的间隔太窄时，易于发生短路。当各接触部与光屏蔽膜237之间的间隔太宽时，杂散光通过开口部进入，杂散光会使基于与上述拖尾相同原理而出现的噪声增大。因此，根据两种特性之间的权衡关系，也以最佳尺寸设定用于各个接触部的开口部。
单元像素211A的驱动信号线的结构示例
图12是表示像素阵列部111中的单元像素211A的布置的示意图。另外，在图12中，为了便于理解该图，省略了各个部分的附图标记。
在像素阵列部111中，在垂直方向(列方向)和水平方向(行方向)上二维布置单元像素211A。此外，尽管未在图12中示出，但各行均设置有四条驱动信号线，这四条驱动信号线是用于驱动第一传输栅极222的栅极电极222A的信号线TRX、用于第二传输栅极224的栅极电极224A的驱动信号线TRG、用于复位晶体管226的栅极电极226A的驱动信号线RST和用于选择晶体管228的栅极电极228A的驱动信号线SEL。
因此，在布置有单元像素211A的像素阵列部111中，与图5中布置有单元像素11的像素阵列部相比，可以省略用于驱动电荷放电栅极的栅极电极的驱动信号线ABG。由此能够改善驱动信号线的布线的布局自由度。此外，能够增加光电二极管221的光接收部的开口面积，改善各个像素的总体光接收灵敏度，特别是能改善视角端部附近(在此处，入射光的入射角增大)的像素的光接收灵敏度。此外，减少了驱动信号线对入射光的遮蔽，因而进一步改善了光接收灵敏度。
另外，也不需要在光屏蔽膜237中设置用于电荷放电栅极的栅极电极的接触部的开口，因而改善了光屏蔽膜237的光屏蔽特性。因而，能降低通过光屏蔽膜237的开口入射的杂散光的入射量，减少由杂散光导致的噪声，并且提高S/N比。
注意，光屏蔽膜237例如连接至在像素阵列部111外部的外围部分中延伸自垂直驱动部112的布线。也就是说，光屏蔽膜237和垂直驱动部112在像素阵列部111外部彼此连接。通过该布线将用于驱动电荷放电栅极229的控制脉冲ABG从垂直驱动部112施加到光屏蔽膜237。也就是说，垂直驱动部112控制施加到光屏蔽膜237的控制脉冲ABG，从而控制由电荷放电栅极229从光电二极管221传输到电荷放电部230的电荷。注意，也可以通过除垂直驱动部112之外的另一部分控制控制脉冲ABG。
单元像素211A的驱动方法
下面参照图13说明CMOS图像传感器100中的单元像素211A的驱动方法。注意，图13是用于像素阵列部111的第i行和第(i+1)行中的单元像素211A的选择脉冲SEL、传输脉冲TRX、传输脉冲TRG、复位脉冲RST和控制脉冲ABG在一个帧时段上的时序图。
首先，对全部像素同时导通传输脉冲TRX、传输脉冲TRG和复位脉冲RST。因而，导通第一传输栅极222和第二传输栅极224，并复位浮动扩散区域225。于是，对光电二极管221、存储部223和浮动扩散区域225的电荷进行放电。此后，首先对全部像素同时关闭传输脉冲TRX，从而关闭第一传输栅极。然后，关闭传输脉冲TRG和复位脉冲RST，从而关闭第二传输栅极224。这时，同时开始全部像素的曝光，从而电荷在光电二极管221中开始累积。也就是说，开始信号电荷的累积时段。
接着，在经过预定时间之后，对全部像素同时导通传输脉冲TRX，由此导通第一传输栅极222，以便将光电二极管221中所累积的电荷传输到存储部223。此后，对全部像素同时关闭传输脉冲TRX，以便关闭第一传输栅极222，并同时结束全部像素的曝光。
接着，对全部像素同时导通控制脉冲ABG，由此导通电荷放电栅极229，从而在光电二极管221和电荷放电部230之间形成溢出路径。因而，通过电荷放电栅极229将在电荷从光电二极管221传输到存储部223之后产生在光电二极管221中的电荷放电到电荷放电部230，因此能够防止这些电荷流入到存储部223中。
这时，信号电荷的累积时段结束并转换到读出时段，该读出时段用于读出基于各个单元像素211A中所累积的电荷的像素信号。另外，逐个像素或者以多个像素为单位进行像素信号的读出。注意，下面将说明逐行读出像素信号的示例。
例如，当要读出第i行的单元像素211A的像素信号时，导通第i行的选择晶体管228的选择脉冲SEL，从而设定第i行的单元像素211A以作为从其读出像素信号的对象。
然后，首先导通复位脉冲RST，使得复位浮动扩散区域225。此后，关闭复位脉冲RST。然后，通过选择晶体管228和垂直信号线117将用于表示复位电平的复位信号从放大晶体管227供应到列处理部113。列处理部113基于复位信号读出复位电平。注意，在下文中，将读出复位电平的时段称作P时段。
接着，导通传输脉冲TRG，由此导通第二传输栅极224，从而将累积在存储部223中的电荷传输到浮动扩散区域225。然后，通过选择晶体管228和垂直信号线117将用于表示基于传输到浮动扩散区域225的电荷的信号电平的电荷检测信号从放大晶体管227传输到列处理部113。列处理部113基于电荷检测信号读出信号电平。注意，在下文中，将读出信号电平的时段称作D时段。
然后，列处理部113进行CDS处理以获得在P时段读出的复位电平与在D时段读出的信号电平之间的差值，由此将噪声从检测的信号电平除去。
此后，关闭选择脉冲SEL，从而第i行的单元像素211A的读出时段结束并转换到第(i+1)行的单元像素211A的读出时段。在完成所有行的信号电平的读出之后，必要时，转换到图13的时序图的顶部以开始下一帧的累积时段。
2.第二实施例
下面参照图14说明本发明的第二实施例。注意，尽管CMOS图像传感器100的结构类似于第一实施例的结构，但第二实施例的单元像素的结构不同于第一实施例的单元像素的结构。下文省略了与第一实施例相同部分的重复说明。
与图8相同，图14是表示单元像素211B的截面结构示例的图。注意，在图14中，使用相同的附图标记表示与图8中的部分相对应的部分。
通过对单元像素211B与单元像素211A进行比较表明，绝缘膜236在由虚线A所包围的部分中结构不同于单元像素211A，而其他部分相同。具体地，绝缘膜236的仅如下部分在绝缘膜236的第二层中不包括具有高击穿电压的氮化物膜而是通过氧化物膜单独形成：该部分位于光屏蔽膜237中的在光电二极管221与电荷放电部230之间形成电荷放电栅极229的部分与半导体基板(硅基板)之间。因而，当向光屏蔽膜237施加控制脉冲ABG时，通过控制脉冲ABG应用到半导体基板(硅基板)的调制仅在电荷放电栅极229的被除去了氮化物膜的部分中得到加强，因此能够容易控制电荷放电栅极229的势垒。
例如，在形成该绝缘膜236的情况下，首先形成第一层的氧化物膜和第二层的氮化物膜，然后用抗蚀剂覆盖待要除去氮化物膜的部分。接着，通过蚀刻除去覆盖有抗蚀剂部分中的氮化物膜。注意，在这时，可以除去覆盖有抗蚀剂的部分中的第一层的氧化物膜的一部分或者全部。然后，最终形成第三层的氧化物膜。因此，能够容易地形成如下绝缘膜236：该绝缘膜236的一部分是由氧化物膜单独形成。
3.第三实施例
下面参照图15～图20说明本发明的第三实施例。注意，尽管CMOS图像传感器100的结构类似于第一实施例的结构，但第三实施例的单元像素的结构不同于第一实施例的单元像素的结构。下文省略了与第一实施例相同部分的重复说明。
单元像素211C的结构示例
图15表示单元像素211C沿图18中所示的方向A-A′的截面结构的示例。图16和图17是表示单元像素211C的结构示例的平面图。然而，图16表示不包括光屏蔽膜237的结构，而图17表示包括光屏蔽膜237的结构。注意，为了便于理解附图，图16和图17未示出绝缘膜236。图18是通过向图17添加路径A-A′而获得的图。注意，在图15～图18中，使用相同的附图标记表示与图8～图11中的部分相对应的部分。
通过对单元像素211C与单元像素211A进行比较表明，单元像素211C和单元像素211A的不同之处在于，单元像素211C不具有第一传输栅极222、存储部223和接触部238，而其他部分相同。
在单元像素211C中，通过第二传输栅极224将光电二极管221中所累积的电荷传输到浮动扩散区域225，并将其保持在浮动扩散区域225中。因此，从图17与图10之间的比较能清楚地看到，光电二极管221的光接收部的面积得到增加，因而能够增加光接收灵敏度。此外，能够增加光电二极管221的饱和电荷量。另外，还能够降低与上述拖尾表现出相同现象的噪声的影响。
用于驱动单元像素211C的驱动信号线的结构示例
图19是表示像素阵列部111中的单元像素211C的布置的示意图。注意，在图19中，为了便于理解该图，省略了各个部分的附图标记。
在像素阵列部111中，在垂直方向(列方向)和水平方向(行方向)上二维布置单元像素211C。此外，尽管未在图19中示出，但各行均设置有三条驱动信号线，这三条驱动信号线是用于驱动第二传输栅极224的栅极电极224A的驱动信号线TRG、用于驱动复位晶体管226的栅极电极226A的驱动信号线RST和用于驱动选择晶体管228的栅极电极228A的驱动信号线SEL。
因而，在布置有单元像素211C的像素阵列部111中，与图12中布置有单元像素211A的像素阵列部111相比，能够省略用于第一传输栅极的栅极电极的驱动信号线TRX。由此能够进一步改善驱动信号线的布线的布局自由度。此外，能进一步增大用于光电二极管221的光接收部的开口面积。
另外，也不需要在光屏蔽膜237中设置用于第一传输栅极的栅极电极的接触部的开口，因而能够改善光屏蔽膜237的光屏蔽特性。因而，还能够降低通过光屏蔽膜237的开口入射的杂散光的入射量，减少由杂散光导致的噪声，并且提高S/N比。
单元像素211C的驱动方法
下面参照图20说明CMOS图像传感器100中的单元像素211C的驱动方法。注意，图20是用于像素阵列部111的第i行和第(i+1)行中的单元像素211C的选择脉冲SEL、传输脉冲TRG、复位脉冲RST和控制脉冲ABG在一个帧时段上的时序图。
首先，对全部像素同时导通传输脉冲TRG和复位脉冲RST导通。因而，导通第二传输栅极224，并且复位浮动扩散区域225。由此，对光电二极管221和浮动扩散区域225的电荷进行放电。然后，关闭传输脉冲TRG和复位脉冲RST，从而关闭第二传输栅极224。这时，同时开始全部像素的曝光，从而电荷开始在光电二极管221中累积。也就是说，开始信号电荷的累积时段。
接着，对全部像素同时导通复位脉冲RST导通，从而复位浮动扩散区域225。
接着，在从开始信号电荷的累积时段开始经过预定时间之后，导通传输脉冲TRG，由此导通第二传输栅极224，从而将累积在光电二极管221中的电荷传输到浮动扩散区域225。然后，对全部像素同时关闭传输脉冲TRG，从而关闭第二传输栅极224，于是同时结束全部像素的曝光。
接着，对全部像素同时导通控制脉冲ABG，由此导通电荷放电栅极229，从而形成在光电二极管221和电荷放电部230之间形成溢出路径。
在这时，信号电荷的累积时段结束并转换到读出时段，该读出时段用于读出基于各个单元像素211C中所累积的电荷的像素信号。注意，逐个像素或者以多个像素为单位进行像素信号的读出。注意，下面将说明逐行读出像素信号的示例。
例如，当要读出第i行的单元像素211C的像素信号时，导通第i行的选择晶体管228的选择脉冲SEL导通，从而选择第i行的单元像素211C以作为从其读出像素信号的对象。
然后，通过选择晶体管228和垂直信号线117将用于表示基于传输到浮动扩散区域225的电荷的信号电平的电荷检测信号从放大晶体管227传输到列处理部113。列处理部113基于电荷检测信号读出信号电平。
接着，导通复位脉冲RST，从而复位浮动扩散区域225。接着，关闭复位脉冲RST。然后，通过选择晶体管228和垂直信号线117将用于表示复位电平的复位信号从放大晶体管227供应到列处理部113。列处理部113基于复位信号读出复位电平。
然后，列处理部113进行CDS处理以获得在D时段读出的信号电平与在P时段读出的复位电平之间的差值，由此将噪声从检测的信号电平中除去。
注意，当复位浮动扩散区域225时，复位晶体管226的切换操作引起随机kTC噪声(热噪声)。除非使用在读出信号电平之前的复位电平，否则不能精确地除去该kTC噪声。然而，在这种情况下，使用了在读出信号电平之后的复位电平。因此，能够除去例如偏移误差等固定噪声，但不能除去kTC噪声。
此外，在Si-SiO2界面处存在很多晶体缺陷，并且易于出现暗电流。因此，当电荷保持在浮动扩散区域225中时，保持电荷的时间由于像素信号的读出顺序而不同，于是暗电流对各个像素的信号电平的影响也不同。使用该复位电平的噪声除去操作不能够消除由于暗电流的影响差异而在像素间产生的噪声差异。
然后，关闭选择脉冲SEL，从而结束第i行的单元像素211C的读出时段，并转换到第(i+1)行的单元像素211C的读出时段。在完成全部行的信号电平的读出之后，必要时，转换到图20的时序图的顶部以开始下一帧的累积时段。
因此，在单元像素211C中，与单元像素211A相比，使kTC噪声和由暗电流所导致的噪声增大，但能够增加光电二极管221的光接收部的面积。因此，改善了光接收灵敏度，并且增加了饱和电荷的量。此外，能够降低与上述拖尾表现出相同现象的噪声的影响。因此，单元像素211C适合应用到如下固态摄像器件：在该固态摄像器件中，每个像素的面积较小，且难以保证存储部的区域。
注意，与在单元像素211B中相同，在单元像素211C中，也可以单独通过氧化物膜形成仅位于与电荷放电栅极229相对应的部分中的绝缘膜236。
下面参照图21～图24简要介绍如下单元像素的一些结构示例：在该单元像素中，使用光屏蔽膜237替代单元像素211A～211C中的电荷放电栅极229的栅极电极。
4.第四实施例
图21表示单元像素的第四实施例，与图8相同，图21是单元像素211D的截面结构示例的图。注意，在图21中，使用相同的附图标记表示与图8中的部分相对应的部分，并且在下文中省略与第一实施例相同部分的重复说明。
单元像素211D与单元像素211A的不同之处在于，单元像素211D具有溢出路径301，通过在栅极电极222A下方及光电二极管221与存储部223之间的边界部分中设置P-杂质扩散区域302来形成溢出路径301。
需要降低杂质扩散区域302的电位来形成溢出路径301。例如，可以通过使用N-杂质轻掺杂杂质扩散区域302以降低P-杂质的浓度，由此形成P-杂质扩散区域302。可替换地，当在形成势垒的同时使用P-杂质掺杂杂质扩散区域302时，能够通过降低P-杂质的浓度来形成P-杂质扩散区域302。
在单元像素211D中，形成在光电二极管221与存储部223之间的边界部分中的溢出路径301用作如下构件：该构件用于将以低亮度产生的电荷优先累积在光电二极管221中。
通过在光电二极管221与存储部223之间的边界部分中设置P-杂质扩散区域302来降低该边界部分的势垒。降低势垒的部分就是溢出路径301。在光电二极管221中产生并超过溢出路径301的势垒的电荷自动泄露到存储部223并累积在存储部223中。换句话说，溢出路径301的势垒下方产生的电荷累积在光电二极管221中。
溢出路径301用作中间电荷传输部。具体地，在同时进行全部多个单元像素的摄像操作的曝光时段中，作为中间电荷传输部的溢出路径301将通过光电二极管221中的光电转换产生且超过由溢出路径301的电位所确定的预定电荷量的电荷作为信号电荷传输到存储部223。
注意，在图21的示例中，通过设置P-杂质扩散区域302来形成溢出路径301。然而，也可以通过设置N-杂质扩散区域302以替代P-杂质扩散区域302，由此形成溢出路径301。
5.第五实施例
图22表示单元像素的第五实施例，与图8相同，图22是单元像素211E的截面结构示例的图。另外，在图22中，使用相同的附图标记表示与图8中的部分相对应的部分，并且在下文中省略了与第一实施例相同部分的重复说明。
通过在图8中的单元像素211A的结构中设置与浮动扩散区域225类似的存储部223来形成单元像素211E。具体地，在单元像素211E中，第一传输栅极222的栅极电极222A在光电二极管221与存储部223之间的边界处设置在P型阱层232上方。此外，在单元像素211E中，通过与浮动扩散区域225的N型层类似的N型层311形成存储部223。
6.第六实施例
图23表示单元像素的第六实施例，与图8相同，图23是单元像素211F的截面结构示例的图。另外，在图23中，使用相同的附图标记表示与图8中的部分相对应的部分，并且在下文中省略了与第一实施例相同部分的重复说明。
图8中的单元像素211A具有如下结构：在该结构中，存储部223是由埋入沟道235形成。另一方面，图23中的单元像素211F采用如下结构：在该结构中，存储部223是由埋入型的N型扩散区域322形成。
在存储部223是由N型扩散区域322形成的情况下，也能获得与存储部223是由埋入沟道235形成的情况类似的作用和效果。具体地，通过在P型阱层232内形成N型扩散区域322并在基板表面侧上形成P型层321，能够防止出现在Si-SiO2界面处的暗电流在存储部223的N型扩散区域322中累积，因而有助于图像质量的改善。
在这种情况下，存储部223的N型扩散区域322的杂质浓度优选地低于浮动扩散区域225的杂质浓度。这样设定杂质浓度能够增加通过第二传输栅极224从存储部223向浮动扩散区域225传输电荷的效率。
注意，尽管上面已经说明了存储部223是由埋入型的N型扩散区域322形成的示例，但是，虽然在存储部223中产生的暗电流可能增加，但存储部223也可以具有非埋入型的结构。
7.第七实施例
图24表示单元像素的第七实施例，与图8相同，图24是单元像素211G的截面结构示例的图。另外，在图24中，使用相同的附图标记表示与图8中的部分相对应的部分，并且在下文中省略了与第一实施例相同部分的重复说明。
尽管在图8的单元像素211A中的光电二极管221与浮动扩散区域225之间设置有一个存储部(MEM)223，但在图24的单元像素211G中还设置另一个存储部(MEM2)332。也就是说，存储部具有两级结构。此外，用于布线的接触部334连接至第三传输栅极331的栅极电极331A的位于存储部332侧上的上部。
当通过接触部334向由多晶硅形成的栅极电极331A施加传输脉冲TRX2时，第三传输栅极331传输存储部223中所累积的电荷。存储部332是由形成在栅极电极331A下方的N型埋入沟道333形成。存储部332对通过第三传输栅极331传输自存储部223的电荷进行累积。由于存储部332是由埋入沟道333形成，因而能够抑制在Si-SiO2界面处出现暗电流，从而有助于图像质量的改善。
存储部332具有与存储部223类似的结构。因此，与在存储部223中相同，与不应用调制的情况相比，在应用调制的情况下能够增加存储部332的饱和电荷量。
在单元像素211G的全局曝光操作中，能够将传输自光电二极管221的电荷保持在存储部223或者存储部332中。因此，例如，能够将来自不同曝光时段的电荷保持在各个不同的存储部中。
注意，在单元像素211D～211G中，与在单元像素211B中相同，也可以单独通过氧化物膜形成仅位于与电荷放电栅极229相对应的部分中的绝缘膜236。
8.第八实施例
上面说明了光屏蔽膜237替代电荷放电栅极229的栅极电极的示例。然而，例如，光屏蔽膜237也可以替代第一传输栅极222的栅极电极222A。
图25～图30表示光屏蔽膜237替代第一传输栅极的栅极电极的实施例。注意，与第一实施例相比，尽管CMOS图像传感器100的结构类似于第一实施例的结构，但第八实施例具有不同的单元像素结构。在下文中省略了与第一实施例相同的部分的重复说明。
单元像素211H的结构示例
图25表示单元像素211H沿图28所示的方向A-A′的截面结构的示例。图26和图27是表示单元像素211H的结构示例的平面图。然而，图26表示不包括光屏蔽膜237的结构，而图27表示包括光屏蔽膜237的结构。注意，为了便于理解附图，图26和图27未示出绝缘膜236。图28是通过向图27添加路径A-A′而获得的图。另外，在图25～图28中，使用相同的附图标记表示与图8～图11的部分相对应的部分。
图25中的单元像素211H在以下方面不同于图8中的单元像素211A。首先，未设置包括栅极电极222A的第一传输栅极222和接触部238，但替代地设置第一传输栅极401。与单元像素211A中的电荷放电栅极229相同，当向光屏蔽膜237施加传输脉冲TRX时，第一传输栅极401传输光电二极管221中所累积的电荷。也就是说，在第一传输栅极401中，光屏蔽膜237用作栅极电极。具体地，当向光屏蔽膜237施加正电压的传输脉冲TRX时，光电二极管221与存储部223之间的势垒的电位升高，并且势垒的高度降低。存储部223的电位也升高。因而，在光电二极管221与存储部223之间形成溢出路径，并且累积在光电二极管221中的电荷被传输到电位升高的存储部223。
此外，与图14的单元像素211B中相同，除去绝缘膜236的第二层的氮化物膜，并且单独由氧化物膜形成仅位于与第一传输栅极401和存储部223对应的部分中的绝缘膜236。因此，能够容易控制第一传输栅极401的势垒和存储部223的电位。
另外，在光电二极管221与电荷放电部230之间设置包括栅极电极402A和绝缘膜402B的电荷放电栅极402，接触部403连接至栅极电极402A的上部。
单元像素211H的驱动信号线的结构示例
图29是表示像素阵列部111中单元像素211H的布置的示意图。注意，在图29中，为了便于理解附图，省略了各个部分的附图标记。
在像素阵列部111中，在垂直方向(列方向)和水平方向(行方向)上二维布置单元像素211H。此外，尽管未在图29中示出，但各行均设置有四条驱动信号线，这四条驱动信号线是用于第二传输栅极224的栅极电极224A的驱动信号线TRG、用于复位晶体管226的栅极电极226A的驱动信号线RST、用于选择晶体管228的栅极电极228A的驱动信号线SEL和用于电荷放电栅极402的栅极电极402A的驱动信号线ABG。
因此，在布置有单元像素211H的像素阵列部111中，与图5中布置有单元像素11的像素阵列部相比，能够省略用于第一传输栅极的栅极电极的驱动信号线TRX。这样，能够改善驱动信号线的布线的布局自由度。此外，能够增加光电二极管221的光接收部的开口面积，改善各个像素的总体光接收灵敏度，特别是能够改善视角端部附近(在此处，入射光的入射角增大)的像素的光接收灵敏度。此外，减少了驱动信号线对入射光的遮蔽，因而能进一步改善光接收灵敏度。
另外，也不需要在光屏蔽膜237中设置用于第一传输栅极的栅极电极的接触部的开口，因而能够改善光屏蔽膜237的光屏蔽特性。因而，能够降低通过光屏蔽膜237的开口入射的杂散光的入射量，减少由杂散光导致的噪声，并且提高S/N比。
注意，光屏蔽膜237例如连接至在像素阵列部111外部的外围部分中延伸自垂直驱动部112的布线。通过该布线将用于驱动第一传输栅极401的传输脉冲TRX从垂直驱动部112施加到光屏蔽膜237。
单元像素211H的驱动方法
下面参照图30说明CMOS图像传感器100中的单元像素211H的驱动方法。注意，图30是像素阵列部111的第i行和第(i+1)行中的单元像素211H的选择脉冲SEL、控制脉冲ABG、传输脉冲TRG、复位脉冲RST和传输脉冲TRX在一个帧时段上的时序图。
首先，对全部像素同时导通传输脉冲TRX、传输脉冲TRG和复位脉冲RST。因而，对全部像素同时导通第一传输栅极401和第二传输栅极224，并且复位浮动扩散区域225。结果，对光电二极管221、存储部223和浮动扩散区域225的电荷进行放电。然后，首先关闭传输脉冲TRX，从而对全部像素同时关闭第一传输栅极401。然后，对全部像素同时关闭传输脉冲TRG和复位脉冲RST，从而关闭第二传输栅极224。这时，同时开始全部像素的曝光，从而电荷开始在光电二极管221中累积。也就是说，开始信号电荷的累积时段。
接着，在经过预定时间之后，导通传输脉冲TRX，由此对全部像素同时导通第一传输栅极401，从而将累积在光电二极管221中的电荷传输到存储部223。然后，关闭传输脉冲TRX，从而对全部像素同时关闭第一传输栅极401，并且同时结束全部像素的曝光。
接着，对全部像素同时导通控制脉冲ABG，由此导通电荷放电栅极402，从而形成在光电二极管221和电荷放电部230之间形成溢出路径。
注意，读出时段的过程类似于参照图13所说明的单元像素211A的读出时段的过程，因而省略了重复说明。
单元像素211H的变型示例
当如上所述仅通过像素阵列部111的外围部分施加传输脉冲TRX时，单元像素211H越靠近像素阵列部111的外围部分，单元像素211H中的传输脉冲TRX的上升沿或下降沿变化越快，而单元像素211H越靠近像素阵列部111的中央部分，单元像素211H中的传输脉冲TRX的上升沿或下降沿变化越慢。也就是说，在传输脉冲TRX的导通或者关闭时刻可能随着单元像素211H的位置而出现差异，因此第一传输栅极401的导通或者关闭的控制可能出现差异。当该差异变大时，在所拍摄的图像中出现阴影。
下面参照图31和图32说明解决上述问题的对策的示例。
与图25相同，图31表示单元像素211H沿图28所示的方向A-A′的截面结构的示例。
通过对图31与图25进行比较表明，图31与图25的不同之处在于，在图31中，接触部411连接至光屏蔽膜237的位于存储部223右上侧的上部。图31和图25的其他部分类似。
图32是表示图31的单元像素211H在像素阵列部111中的布置的示意图。另外，在图32中，为了便于理解附图，省略除接触部411之外的各个部分的附图标记。
通过对图32和图29进行比较表明，在图32中，每个行均设置有驱动信号线TRX，并且驱动信号线TRX通过接触部411分路连接至光屏蔽膜237。因此光屏蔽膜237和垂直驱动部112在像素阵列部111内的各个像素中彼此连接。这样，就能够减小传输脉冲TRX的CR时间常数，并降低在像素之间的第一传输栅极401的导通或者关闭的时刻差异。
注意，在这种情况下，尽管驱动信号线的数量与图5的相关技术的情况中相同，但能够减少设置在光屏蔽膜237中的开口的数量，因而能够改善光屏蔽膜237的光屏蔽特性。
9.变型示例
尽管上面已经说明了将本发明应用到电荷放电栅极和第一传输栅极的示例，但本发明也可以应用到其他用于传输电荷的栅极和晶体管。然而，当本发明应用到诸如复位晶体管226或者选择晶体管228等以行为单位进行驱动的栅极或者晶体管时，需要将每个行的光屏蔽膜分开。因此，在每个行的光屏蔽膜中形成间隙，从而会降低光屏蔽特性。由此，期望将本发明应用到诸如上述电荷放电栅极和第一传输栅极以及图15中的第二传输栅极224和图24中的第三传输栅极331等对全部像素进行同时驱动的栅极和晶体管。
注意，与其它栅极和晶体管相比，电荷放电栅极不需要具有高等级特性。例如，当能够在光电二极管与电荷放电部之间形成溢出路径时，控制脉冲ABG的导通或者关闭的时刻差异或者控制脉冲ABG的电压在像素之间的差异不会表现出很大的问题。因此，认为本发明最适合应用到电荷放电栅极。
此外，当本发明应用到其它栅极或者晶体管时，也能够采用图32中的驱动信号线的连接方法。例如，第一实施例中的用于供应控制脉冲ABG的驱动信号线可以具有图32所示的结构。
另外，当使用图32中的驱动信号线的连接方法时，不必在各个单元像素中设置用于连接驱动信号线的接触部，可将接触部布置成能够满足必要的脉冲特性。
此外，光屏蔽膜237还可以使用除上述钨之外的元素。然而，期望使用具有尽可能低的电阻且具有优异光屏蔽性能和优异加工性的元素。
注意，这个实施例中的全部像素是指出现在图像中的部分中的所有像素，不包括虚拟像素(dummy pixel)等。除此之外，如果时间差异和图像失真较小以至于不产生任何问题，可由每次高速扫描多个行(如，数十行)的操作代替对全部像素同时进行的操作。另外，在本发明的实施例中，不仅能将全局快门操作用于出现在图像中的全部像素还能够用于预定的多个行。
此外，上面说明的单元像素211的器件结构的导电类型仅仅是示例。N型和P型可以互换，并且基板231的导电类型可以是N型和P型中的一者。
另外，本发明不限于应用到固态摄像器件。也就是说，本发明可以应用到通常在图像摄取部(光电转换部)中使用固态摄像器件的电子装置，该电子装置包括诸如数码相机和摄像机等摄像器件、具有摄像功能的便携式终端装置和在图像读取部中使用固态摄像器件的复印机等。固态摄像器件可形成为单芯片形成或制造成具有成像功能的模块形式，摄像部和信号处理部或光学系统共同封装在模块中。
应用有本发明的电子装置结构的示例
图33是表示作为应用有本发明的电子装置的摄像装置的结构示例的框图。
图33的摄像装置600包括由透镜组等构成的光学部601、采用具有每个上述结构的单元像素211的固态摄像元件(摄像器件)602和作为照相机信号处理电路的DSP电路603。摄像装置600还包括帧存储器604、显示部605、记录部606、操作部607和电源部608。DSP电路603、帧存储器604、显示部605、记录部606、操作部607和电源部608通过总线609相互连接。
光学部601捕捉来自物体的入射光(图像光)，并且在固态摄像元件602的摄像表面上形成图像。固态摄像元件602以像素为单位将通过光学部601在摄像面上形成图像的入射光的光量转换为电信号，并将电信号作为像素信号输出。能够将上述实施例等的CMOS图像传感器100的固态摄像元件用作固态摄像元件602，即，能够将通过全局曝光而能够实现非失真摄像的固态摄像元件用作固态摄像元件602。
显示部605例如是由诸如液晶面板或者有机电致发光(electroluminescence，EL)面板等面板型显示装置形成。显示部605显示固态摄像元件602所摄取的移动图像或者静止图像。记录部606将固态摄像元件602所摄取的移动图像或者静止图像记录到诸如录像带或者DVD(数字光盘)等记录媒介上。
操作部607在用户的操作下发出用于摄像器件600的各种功能的操作指令。电源部608作为工作电源视情况向作为供给对象的DSP电路603、帧存储器604、显示部605、记录部606和操作部607供应各种电功率。
如上所述，通过将上述实施例的CMOS图像传感器100用作固态摄像元件602，能够降低由像素晶体管的阈值变化所导致的噪声，因此能确保高的S/N。这样，在诸如摄像机或者数码相机以及用于例如手机等移动装置的照相机模块等摄像装置600中，也能改善所摄图像的图像质量。
此外，通过将本发明应用到CMOS图像传感器的情况作为示例来说明上述实施例，其中该CMOS图像传感器中的用于根据可见光的量来检测作为物理量的信号电荷的单元像素布置成矩阵图案。然而，本发明的应用不限于应用到CMOS图像传感器。本发明通常可应用到如下列型固态成像装置：在这种列型固态成像装置中，像素阵列部中的每个像素列上布置一个列处理部。
此外，本发明的应用不限于应用到用于检测入射可见光的量的分布并对该分布进行成像的固态摄像装置。本发明也可应用到用于检测红外(IR)射线、X射线或颗粒等的入射量的分布并对分布进行成像的固态成像装置。而且，广义上，本发明可应用到通过检测诸如压力、电容量等其它物理量的分布进行成像的固态成像装置(物理量分布检测器)，例如，指纹传感器。
本发明的实施例不限于上述实施例，而是可以在不偏离本发明精神的情况下进行各种改变。
本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其它因素，可以在本发明所附的权利要求及其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合及改变。

Claims (12)

1.一种固态摄像器件，所述固态摄像器件包括：
多个单元像素，所述单元像素至少包括光电转换部、电荷电压转换部和一个以上传输构件，所述传输构件用于在预定路径中传输电荷；
光屏蔽膜，其用于光屏蔽所述多个单元像素中至少除所述光电转换部的光接收部之外的表面；以及
电压控制构件，其用于控制施加到所述光屏蔽膜的电压，
其中，通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制所述传输构件中的一个传输构件所进行的电荷传输。
2.如权利要求1所述的固态摄像器件，
其中，所述单元像素还包括电荷放电部，以及
通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制用于将电荷从所述光电转换部传输到所述电荷放电部的传输构件所进行的电荷传输。
3.如权利要求1所述的固态摄像器件，
其中，通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制用于将电荷从所述光电转换部传输到所述电荷电压转换部的传输构件所进行的电荷传输。
4.如权利要求1所述的固态摄像器件，
其中，所述单元像素还包括电荷保持部，以及
通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制用于将电荷从所述光电转换部传输到所述电荷保持部的传输构件所进行的电荷传输。
5.如权利要求1所述的固态摄像器件，
其中，在所述光屏蔽膜与形成有所述单元像素的半导体基板之间布置绝缘膜，所述绝缘膜是由氧化物膜和氮化物膜形成，以及
仅位于所述光屏蔽膜的一部分与所述半导体基板之间的所述绝缘膜是由氧化物膜单独形成，所述光屏蔽膜的所述一部分形成为通过施加到所述光屏蔽膜的电压来控制其电荷传输的传输构件。
6.如权利要求1所述的固态摄像器件，所述固态摄像器件还包括布线，所述布线用于在布置有所述多个单元像素的像素阵列部的外部将所述光屏蔽膜和所述电压控制构件彼此连接并将电压施加到所述光屏蔽膜。
7.如权利要求1所述的固态摄像器件，所述固态摄像器件还包括布线，所述布线用于在布置有所述多个单元像素的像素阵列部的内部将所述光屏蔽膜和所述电压控制构件彼此连接并将电压施加到所述光屏蔽膜。
8.一种固态摄像器件的驱动方法，所述固态摄像器件包括：多个单元像素，所述单元像素至少包括光电转换部、电荷电压转换部和一个以上传输构件，所述传输构件用于在预定路径中传输电荷；以及光屏蔽膜，其用于光屏蔽所述多个单元像素中至少除所述光电转换部的光接收部之外的表面；所述驱动方法包括：
所述固态摄像器件通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制所述传输构件中的一个传输构件所进行的电荷传输。
9.如权利要求8所述的固态摄像器件的驱动方法，
其中，所述单元像素还包括电荷放电部，
所述固态摄像器件通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制用于将电荷从所述光电转换部传输到所述电荷放电部的传输构件所进行的电荷传输。
10.如权利要求8所述的固态摄像器件的驱动方法，
其中，所述固态摄像器件通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制用于将电荷从所述光电转换部传输到所述电荷电压转换部的传输构件所进行的电荷传输。
11.如权利要求8所述的固态摄像器件的驱动方法，
其中，所述单元像素还包括电荷保持部，
所述固态摄像器件通过控制施加到所述光屏蔽膜的电压来控制用于将电荷从所述光电转换部传输到所述电荷保持部的传输构件所进行的电荷传输。
12.一种电子装置，所述电子装置包括固态摄像器件，
其中，所述固态摄像器件为前述权利要求1-7之一所限定的固态摄像器件。
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